计算机网络-概述

计算机网络

1. 计算机网络-概述

1.1 计算机网络概述

1.1.1 计算机网络定义

1. 计算机网络是一些互相连接的、自制的计算机集合
2. 计算机网络试讲不同的地理位置上的具有独立功能的多个计算机系统用通信系统线路连接起来，在协议的控制之下，以实现资源共享和数据通信为目的的系统

1.1.2 计算机网络特点

1. 计算机网络中，计算机是信息处理的主体。

2. 计算机网络中的计算机既相互联系又相互独立，不存在主从关系。

3. 计算机网络中的计算机系统通过通讯协议实现信息交互

1.1.3 计算机网络分类

（1）按范围

1. 广域网（Wide Area Network,WAN)
   • 范围很大，可以跨越国界、洲界、甚至包括全世界范围，其覆盖范围通常为几十到几千公里的区域。广域网是网络的公共部分，中国的广域网一般为电信部门所有远程、高速、是Internet的核心网
2. 城域网（Metropolitan Area Network,MAN
   • 模局限在一座城市范围的区域性网络。与局域网相比，城域网具有分布地理范围广的特点。一般来说，覆盖范围在10-100km
3. 局域网（Local Area Network,LAN)
   • 一般在几十米到几千米范围内，一个局域网可以容纳几台到几千台计算机。局域网往往用于某一群体，比如一个公司、一个单位、某一幢楼、某一学校等。按照网络的拓扑结构和传输介质，局域网通常可划分为以太网（Ethernet）、令牌环网、光纤分布式数据接口、异步传输模式等，其中最常用的是以太网
4. 个域网PAN(Personal Area Network,PAN)
   • 适用于家庭与小型办公室的应用场合，其主要应用范围包括蓝牙传输文件、无线家庭网络互连、家庭和办公设备短距离互连等

（2）按使用权限

1. 公用网：任何用户都可以使用
2. 专用网：面向特定机构，如企业，军事等

1.1.3 相关名词解释

（1）接入网络

• 接入网络指将网络边缘连接到网络核心的边缘路由器上的方式。

  • 接入网络大致分为三类：
    • 住宅（家庭）接入网络
    • 机构（学校、企业等）接入网络
    • 移动接入网络

（2）常见网络接入方式

• 数字用户线路（DSL）：利用已有的电话线连接中心局的DSLAM，数据通信通过DSL电话线接入Internet，语音（电话）通过DSL电话线接入电话网。通过电话线实现声音和数据的同时传输，通过DSL多路复用器将话音信号和数据信号进行分离
• 非对称数字用户线路（ADSL）：A指非对称，上下行速率不同 ，采用频分多路复用（FDM）技术，把信号调试到不同频带进行传输
• 电缆网络：也称混合光纤同轴电缆（hybrid fiber coax，HFC），同轴电缆通过频分多路复用技术实现电视信号和数据信号的同时传输，在电缆头端分离后连接到光纤，进一步连接到ISP路由器
• 无线接入网络：
  • 通过基站（base station）或称为“接入点”（access point）实现共享的无线接入网络和端系统、路由器的连接。
  • 无线局域网（LANs）：同一建筑物内（30m）、802.11b/g（WiFi） 传输速率11、54Mbps。
  • 广域无线接入：通过电信运营商（蜂窝网），接入范围在几十公里~，带宽1、10、100Mbps，如3G、4G LTE、移动互联网

（3）ISP

• 互联网服务提供商（Internet Service Provider），简称ISP，指的是面向公众提供下列信息服务的经营者：
  • 接入服务，即帮助用户接入Internet
  • 导航服务，即帮助用户在Internet上找到所需要的信息
  • 信息服务，即建立数据服务系统，收集、加工、存储信息，定期维护更新，并通过网络向用户提供信息内容服务

---

1.2 互联网

1.2.1 互联网

• 联网（internet），又称国际网络，指的是网络与网络之间所串连成的庞大网络，这些网络以一组通用的协议相连，形成逻辑上的单一巨大国际网络

1.2.2 互联网的特点

（1）基本特点

• 连通性 (connectivity)：使上网用户之间都可以交换信息（数据，以及各种音频视频） ，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样
• 共享 (Sharing)：指资源共享。资源共享的含义是多方面的。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样，方便使用

1.2.3 互联网的组成

（1）边缘部分

• 所有连接在互联网上的主机（主机指的是所有与网络直接相连的计算机）组成，用户可以直接使用，用来进行主机之间的通信和资源共享
• 边缘部分总结：
  • 边缘部分主要使用核心部分所提供的服务，使得许多主机之间能够互相通信并进行交换或共享信息。
  • 计算机之间的通信指的是主机A上的一个进程与主机B上的另一个进程之间进行通信。通信的方式主要有两种：
    1. 客户-服务器方式：即C /S方式。客户端发送服务的请求，服务器是服务的提供方。
    2. P2P：对等连接方式：两台通信的主机之间不区分哪个是客户，哪个是服务端，只要两台主机都运行了对等连接软件就可以进行平等、对等的连接通信。

（2）核心部分

• 核心部分由大量的网络与连接这些网络所使用的路由器构成，为边缘部分提供连接服务

• 核心部分总结

  • 核心部分起到特殊作用的是路由器，它是一个专用的计算机，主要作用是分组交换和存储转发的功能。

---

1.3 数据交换方式

1.3.1 电路交换

（1）传输方式过程

• 电路交换：使用在电话机之间的通信，使用电话交换机解决了多个电话机之间通信需要大量的电线的问题。
• 电路交换的过程：建立连接(开始占用通信资源)—通话(一直占用通信资源)----释放连接(归还通信资源)。

（2）电路交换的特点：

• 实现简单，可靠保障，传输效率高，传输数据的时延非常小，电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号
• 平均连接建立时间长，信道利用率低，在通信过程中难以实现差错控制
  • 通话期间，通话的两个用户会始终占用通信资源。使用电路交换传输计算机数据时，传输效率往往会很低。因为计算机数据具有突变式的特点，线路上真正用来传输数据的时间往往不到10%,大部分通信线路资源绝大部分时间都被浪费了。
• 整个报文的比特流连续的从源点直达终点

1.3.2 分组交换

（1）传输过程

• 采用存储转发的技术，把一个报文（需要发生出去的整块数据）划分成几组分组后再进行传输。将报文划分成更小的等长数据段，然后加上首部(包含一些控制信息)，构成了一个分组，分组的首部称为一个包头。单个分组（只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点

（2）分组交换的特点：

• 不存在连接建立时延，分组交换比报文交换的时延小，用户可随时发送分组，提高了通信线路的利用率，发送数据更加灵活，时延更小，网络生存性好
• 分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加可能出现失序，丢失或重复分组，发送设备和接收设备更加复杂

1.3.3 报文交换

（1）传输过程

• 报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式

（2） 报文交换的特点：

• 不存在连接建立时延，用户可随时发送报文，提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地，通信线路的利用率高，允许建立数据传输的优先级
• 报文交换的实时性差，报文交换只适用于数字信号，增加了传送时延
• 由于发送整个报文，所以对中间传送设备的存储性能要求非常高

---

1.4 计算机网络体系结构

1.4.1 体系结构

• 计算机网络总共可以分为七层结构，但是实际上因为商业原因通常采用TCP/IP四层模型

（1）各层功能

• 物理层：在物理层上传送的数据单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流

• 数据链路层：两个主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的。在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻结点间的链路上透明地传送帧中的数据，每一帧包括数据和必要的控制信息

• 网络层： 负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也叫作IP数据报

• 运输层：运输层的任务就是负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。由于一个主机可以同时运行多个进程，因此运输层有复用和分用的功能。复用就是多个应用层进程可以同时使用下面运输层的服务，分用就是运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中的相应进程

  • 运输层主要使用下面两个协议：
    • 传输控制协议TCP：面向连接的，数据传输的基本单位是报文段，能够提供可靠的交付
    • 用户数据包协议UDP：无连接的，数据传输的基本单位是用户数据报，不能保证提供可靠的交付，只能提供尽最大努力交付。

• 会话层：建立、管理和终止会话（会话协议数据单元SPDU）

• 表示层：对数据格式进行转化，比如加解密和压缩等（表示层协议数据单元PPDU）

• 应用层：应用层是体系结构中的最高层。应用层直接为用户的应用进程程序提供服务。这里的进程就是指正在运行的程序。

  • 在因特网中的应用层协议很多，如支持万维网应用的http协议支持电子邮件的SMTP协议，支持文件传送的FTP协议等

（2）层与层之间的关系

• 对应层之间通过协议进行通信
• 上下层之间提供互相服务

1.4.2 协议

（1）网络协议定义

• 为进行网络中的数据交换而建立的规则，标准和约定
• 协议规定了通信实体间所交换的消息格式，意义，顺序以及对收到的消息或发生的事件所采取的“动作”

（2）协议的三要素

1. 语法
   1. 数据与控制信息的结构和格式
   2. 信号电平
2. 语义
   1. 需要发出何种控制消息
   2. 完成何种动作以及做出何种响应
   3. 差错控制
3. 时序
   1. 时间匹配
   2. 速度匹配

1.4.3 其他名词解释

（1）实体(entity)

• 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

（2）客户(client)和服务器(server)

• 都是指通信中所涉及的两个应用进程。
  • 客户是服务的请求方
  • 服务器是服务的提供方。
  • 客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系

（3）协议栈

• 指计算机网络体系结构采用分层模型后,每层的主要功能由对等层协议的运行来实现,因而每层可用一些主要协议来表征,几个层次画在一起很像一个栈的结构**

（4）对等层

• 在网络体系结构中,通信双方实现同样功能的层

（5）协议数据单元PDU

• 对等层实体进行信息交换的数据单位称为协议数据单元PDU(Protocal Data Unit)

（6）服务数据单元SDU

• OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU(Service Data Unit)

（7）服务访问点SAP

• SAP是一个抽象的概念,它实体上就是一个逻辑接口，计算机体系结构中，下层是为相邻上层提供服务的，而下层对它的所有上层都是透明的，在OSI模型中，指的是上层协议通过下层提供的接口访问并处理下层协议提供的数据

  

---

1.5 计算机网络性能评估

1.5.1 计算机网络性能评估标准

（1）传输速率(speed)

• 速率是指连接在数字信道上单位传输速率，也称为数据率
• 单位为bit/s(比特每秒)

（2）带宽（bandwidth）

• 带宽本来是指某个信号具有的频带宽度
• 在计算机网络中用来表示网络的通信线路所能传送的数据的能力，即网络带宽表示单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的"最高数据率"
  • 单位为bit/s(比特每秒)
  • 在通信领域小写\(k\)一般表示以\(10\)为进制,例如:\(1kb = 10^3b\)

（4）吞吐量(throughput)

• 表示单位时间通过某个网络（或信道、接口）的数据量
  • 吞吐量更经常表示对现实世界的网络的一种测量，以便于知道实际有多少数据通过网络

（5）时延（delay/latency）

• 发送时延

  • 发送时延是主机或路由器发送数据帧所需要的时间， 也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需要的时间：
    • 发送时延 = 数据帧长度（bit）/ 发送速率（bit/s）

• 传播时延

  • 传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间
    • 传播时延 = 信道长度（m）/ 电磁波在信道上的传播速率（m/s）

• 处理时延

  • 主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等，这就产生了处理时延

• 排队时延

  • 分组通过网络传输时，要经过很多路由器。分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中 排队等待转发。这两个因素就造成了排队时延

（5）时延带宽积

• 表示还在信道中所传输数据量
  • 时延带宽=传播时延*带宽
    

（6）往返时间RTT（Round-trip Time）

• 表示发送方发送数据开始到发送方接收来自接受方的确认总共经历的时间

（7）利用率

• 信道利用率：

  • 表示信道被有效利用的时间占比（传输数据所用时间占总共使用时间的比例）
  • 信道利用率并非越大越好，根据排队理论，当信道利用率增大时，其信道所引起的时延也就迅速增加

• 网络利用率：

  • 网络利用率是全网络的信道利用率的加权平均值